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典型案例丨“智慧氣站”空壓站節能的智能化實踐

【摘要】：以空壓機為代表的動力中心是很多工業企業非常重要的組成部分，也是企業能耗管理重點所在。正是因其特殊性和代表性，動力中心的“智能化”升級，已被看作是傳統制造企業擁抱工業互聯網，進行產業升級轉型的第一步和最佳“切入點”。

以空壓機為代表的動力中心是很多工業企業非常重要的組成部分，也是企業能耗管理重點所在。正是因其特殊性和代表性，動力中心的“智能化”升級，已被看作是傳統制造企業擁抱工業互聯網，進行產業升級轉型的第一步和最佳“切入點”。

某鋼板制造企業位于中國北方的彩涂鋼板集散地山東省，是集建筑鋼品設計、生產、貿易、科研于一體的大型民營集團化企業。主營業務包括：聚氨酯板，聚氨酯保溫板，聚氨酯復合板、凈化板、醫療潔凈板、潔凈板材、彩鋼板、巖棉凈化板等保溫材料。

空壓機是該企業工廠生產動力主要來源，智物聯以“智慧氣站”解決方案，根據企業現場實際情況，針對空壓機無效耗電問題進行改造。

概述：

“智慧氣站”解決方案的核心產品是智物聯自主研發的方略柜(Rolacab)。方略柜是智慧工業核心引擎MixIOT的機柜部署形式，集成了通訊、采集、計算、控制、存儲等功能。方略柜部署在氣站現場，使用智物聯的工業網關適配器Aprus采集空壓機的控制器與電能表、管道的積算儀，用氣末端的壓力變送器等設備運行參數，再使用網線、Wifi或4G等方式，把采集到的運行參數上報到部署在方略柜中的MixIOT平臺，通過MixIOT的動態配載（Dynaload）功能運用科學的算法計算最優空壓機組配載策略，控制空壓機運行狀態。MixIOT對氣站設備狀態進行呈現、監控、統計、存儲、預警，通過大數據分析，對空壓機組優化策略進行更合理的調整和優化，也可以提供標準的數據開放接口，用于開發各種應用。還可以根據客戶的選擇，通過路由器將MixIOT平臺處理后的數據上報到云平臺，使用電腦、手機app對智慧氣站進行遠程管理空壓機運行狀態。

視不同客戶的項目現場情況及復雜程度，一般情況下，“智慧氣站”解決方案一個月內可完成實施交付。

項目實施前客戶氣站狀況：

客戶工廠主要有4個廠房，每個廠房獨立使用一臺變頻空壓機，一線、二線、三線廠房之間管道是互通的，廠房與廠房之間的管道中間裝有閥門，為常閉狀態。四線廠房完全獨立，因此，四個廠房可以默認為是相互獨立用氣。

空壓機產生壓縮空氣主要用于兩部分：

1、車間生產用氣，提供車間設備用氣，氣壓需保持在0.75Mpa左右。

2、給制氮機供氣，生產出氮氣供黑料罐和戊烷罐使用，末端氣壓基本只需保持在0.2Mpa以上即可。

每個車間氣站主要由1臺空壓機+2個儲氣罐+1根生產用氣管道+1根制氮用氣管道組成，具體情況如下：

1、空壓機：4臺，功率：55KW。

2、空壓機儲氣罐：4個，容積：2m³。

3、氮氣儲氣罐：4個，容積：2m³。

4、電能表：4個，一臺空壓機配一個電表。

5、用氣末端壓力：分為生產用氣和氮氣，生產用氣直接使用壓縮空氣；氮氣是將壓縮空氣經過制氮機后分離出用于黑料罐和戊烷罐。

（1）生產用氣：壓力直接讀取空壓機排氣壓力。

（2）氮氣末端：

Ø一線，直接讀取兩個黑料罐壓力；

Ø二線，增加壓力變送器，讀取戊烷罐末端壓力。

Ø三線，直接讀取三個黑料罐壓力，增加壓力變送器，讀取戊烷罐末端壓力。

Ø四線，增加壓力變送器，讀取黑料罐和戊烷罐共用主管道末端壓力。

使用壓縮空氣的主要生產設備：

1、雙帶機、帶鋸機、碼垛機、涼床，生產時開機，停產時關機。

2、戊烷罐、黑料罐，生產時開機，停產時需保證罐內壓力不處于負壓狀態，因此需實時監控進行補充壓縮空氣。

接線圖如下：

每條線氣站主要耗電設備如下：

上述空壓機都是變頻空壓機，給各個車間提供生產用氣和氮氣原料輸入，車間不生產時，生產用氣可關閉，但氮氣末端壓力，即使不生產時也需要保證末端壓力正常。因此，車間空壓機需保持24H開啟，用于保證氮氣末端壓力正常，停產狀態下，黑料罐和戊烷罐消耗氮氣極少。

車間7:50-19:00屬于上班時間，夜間不生產；并且車間換線時間較長（大約1-2小時），以及白天不生產的情況。這些情況下，一直將空壓機保持開啟狀態存在很大的能耗浪費。因此，實時監控氮氣末端壓力，壓力正常時關閉空壓機，接近異常時，開啟空壓機，對于節能降耗有很大的幫助。

客戶氣站能耗分析：

上圖為項目實施前一線空壓機10天電量消耗和運行情況，可以很明顯地看出空壓機24小時都處于開機運行狀態，即使夜間停產，為保證黑料罐、戊烷罐壓力正常，空壓機仍然開啟著，并且一直處于加載狀態，每小時大約有33 kW·h的電量損耗。

另外，從上圖還可以看出，白天生產時也有較多的時間處于換線或者停產狀態，但空壓機也是開啟著，并一直處于加載狀態，造成電量的浪費。

根據現場了解到，停產或換線時，基本只需要保證黑料罐、戊烷罐壓力正常即可，生產不需要用氣，而黑料罐和戊烷罐在停產狀態下用氣量極少，只需偶爾補充氮氣罐氣體即可，但因為無法實時把控黑料罐和戊烷罐末端壓力，為保證安全和后續正常生產，所以只能一直將空壓機開啟，保證充足供氣。

另外換線或停產狀態下，產線沒有關閉生產用氣閥門的習慣，導致壓縮空氣一直經過生產管道被排放，因此，管道壓力一直無法達到卸載壓力要求，空壓機一直處于加載狀態。

通常情況下，造成氣站有效利用率較低的原因一般分為以下四種：

1、空壓機本身配置調參原因；

2、設備維護不到位，或維保不及時導致；

3、設備、管道規劃不合理，及管道密封不好，有漏氣發生；

4、生產現場用氣與氣站機房人員無法實時確認現場用氣，以至供需不平衡導致。

根據現場情況和客觀條件限制，本次項目主要針對第四種原因制定具體解決方案。

針對該客戶的具體方案：

通過上述分析，要優化當前氣站有效利用率，主要需解決一個方面的問題，即供需不平衡導致的浪費問題。增加系統自動控制功能，實時監控每個氣站黑料罐、戊烷罐的末端壓力，當產線停產時，自動關閉空壓機，當監控到黑料罐、戊烷罐的末端壓力接近最低值時，系統自動開啟空壓機，及時補充末端氮氣，保證末端壓力正常。

由此形成的針對該客戶的具體控制策略如下：

生產設備狀態與空壓機對應狀態如下：

氮氣末端所需壓力如下：

項目實施后節能效果：

上圖是對一線夜間空壓機自動控制后的電量曲線圖。

控制前，空壓機夜間每小時耗電大約33kW·h,控制后，空壓機夜間每小時耗電大約2 kW·h左右。大約平均每小時減少30 kW·h的耗電。一般夜間停產時間大約為10-12個小時，取平均值11小時。因此，一臺空壓機一晚可節約用電30×11=330 kW·h，一臺空壓機一個月僅夜間可節約電量近10000 kW·h。